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全新基因編輯技術引發研究領域巨變——生物學新利器是把雙刃劍

來源：集(ji)團芭(ba)乐视频ios下载安装 發布時間：2016-06-11 編輯(ji)：黑馬

美國舊金山(shan)格萊斯頓研究所遺傳學家Bruce Conklin一(yi)直試圖(tu)找(zhao)到DNA變異如何(he)影響(xiang)不(bu)同的人類(lei)疾病，但使用的工具(ju)有些(xie)笨重。

 

美國舊金山格萊(lai)斯(si)頓研究(jiu)所(suo)遺傳(chuan)學(xue)家Bruce Conklin一直試圖找到DNA變異如何影響不同的(de)人類疾病(bing)，但使(shi)用的(de)工具有些(xie)笨(ben)重。當他(ta)研究(jiu)來自病(bing)人的(de)細(xi)胞時，很難知(zhi)道(dao)哪個序列對疾病(bing)來說很重要(yao)，哪些(xie)只是(shi)背景噪音。同時，將突變植入細(xi)胞是(shi)一項昂貴且費(fei)力(li)的(de)工作。

2012年(nian)，他(ta)通過(guo)閱讀了解到一(yi)項(xiang)(xiang)最(zui)新(xin)發表的(de)(de)、被稱為CRISPR的(de)(de)技術。它能使研究人員(yuan)快速(su)改(gai)變(bian)幾(ji)乎任何生物體的(de)(de)DNA，包(bao)括人類。此后不久(jiu)，Conklin放棄了此前(qian)為疾(ji)病(bing)建立模型的(de)(de)方法，轉而(er)采(cai)用(yong)這項(xiang)(xiang)新(xin)技術。目前(qian)，他(ta)的(de)(de)實驗室正在狂熱地改(gai)變(bian)同各種心臟疾(ji)病(bing)相(xiang)關的(de)(de)基因。“CRISPR正帶來(lai)翻天覆地的(de)(de)變(bian)化。”Conklin說。

這種情(qing)感(gan)被(bei)廣泛(fan)共享：CRISPR正在生物醫學研究領域(yu)引起一(yi)(yi)場巨變。不(bu)像其他基(ji)因編輯手段(duan)，它使用(yong)起來廉價(jia)、迅速(su)且(qie)簡單，并因此席卷(juan)全球實(shi)驗室。研究人員(yuan)希(xi)望利(li)用(yong)它調整人類基(ji)因以消除疾病，創造生命力(li)更加頑強(qiang)的(de)(de)植物，并且(qie)消滅病原體。“自從(cong)事(shi)科研以來，我經歷(li)過(guo)兩次大的(de)(de)發(fa)展。”康奈爾大學遺傳(chuan)學家(jia)John Schimenti表示(shi)，像在1985年被(bei)發(fa)明后使基(ji)因工(gong)程領域(yu)發(fa)生革命性變化的(de)(de)基(ji)因擴增方(fang)(fang)法——PCR一(yi)(yi)樣，“CRISPR正通過(guo)如此多的(de)(de)方(fang)(fang)式影(ying)響生命科學”。

不過，盡(jin)管(guan)CRISPR前途大(da)好(hao)，但(dan)一些科(ke)學(xue)家擔心(xin)(xin)，這(zhe)個領域極快的(de)(de)發(fa)展步(bu)伐幾乎沒有為解決(jue)類似試(shi)驗可能(neng)引發(fa)的(de)(de)倫理(li)和安(an)全問(wen)題留出時(shi)間。當今年(nian)4月關于科(ke)學(xue)家利用CRISPR改(gai)造人類胚(pei)胎(tai)的(de)(de)新聞曝出時(shi)，該問(wen)題被推到了聚光燈下。雖然(ran)他們使(shi)用的(de)(de)胚(pei)胎(tai)無法使(shi)嬰兒安(an)全出生(sheng)，但(dan)這(zhe)項報(bao)道引發(fa)了關于是(shi)否以及如(ru)何使(shi)用CRISPR使(shi)人類基因組(zu)產生(sheng)可遺傳(chuan)的(de)(de)變化的(de)(de)激(ji)烈(lie)爭辯。同時(shi)，還(huan)有其他的(de)(de)顧慮存(cun)在。比(bi)如(ru)，一些科(ke)學(xue)家擔心(xin)(xin)，接(jie)受過基因編輯的(de)(de)生(sheng)物體會擾(rao)亂整個生(sheng)態系統(tong)。

引(yin)發研(yan)究革命

長久(jiu)以來，生(sheng)物學家一(yi)直在(zai)利用分子工具編輯基(ji)因組(zu)。大(da)約10年前，他們(men)因一(yi)種有(you)望精確且高效地編輯基(ji)因、被(bei)稱為(wei)鋅指核(he)酸酶(mei)的酶(mei)而興奮不已。不過，馬薩諸塞州布蘭迪斯(si)大(da)學分子生(sheng)物學家James Haber表示，需(xu)要(yao)花(hua)(hua)費(fei)(fei)(fei)5000多美元才能(neng)訂購到的鋅指并未(wei)被(bei)普遍采用，因為(wei)它們(men)很(hen)難進行基(ji)因改(gai)造且花(hua)(hua)費(fei)(fei)(fei)頗高。CRISPR卻(que)大(da)不相同：它依靠(kao)一(yi)種利用引導(dao)性RNA分子將其(qi)導(dao)向目標DNA、被(bei)稱為(wei)Cas9的酶(mei)，然后編輯DNA以擾(rao)亂基(ji)因或插入想要(yao)的序列。通(tong)常，研究人員需(xu)要(yao)訂購的只(zhi)是RNA片段(duan)，其(qi)他成(cheng)分都是現成(cheng)的。全(quan)部花(hua)(hua)費(fei)(fei)(fei)只(zhi)有(you)30美元。“這使(shi)得該(gai)技(ji)術走向大(da)眾(zhong)化，因此(ci)每(mei)個人都在(zai)使(shi)用它。”Haber說，這的確是一(yi)場巨(ju)大(da)的革命。

CRISPR方法正快速(su)超越鋅指(zhi)核酸酶和其他(ta)編(bian)輯(ji)工具。對一(yi)些(xie)研究(jiu)人員來(lai)說，這(zhe)意味著要(yao)放棄曾花費數年來(lai)完(wan)善的(de)技(ji)(ji)術(shu)。“我很(hen)郁悶。”英(ying)國韋爾科(ke)姆基金會桑格學院研究(jiu)所遺傳學家Bill Skarnes說，“但又很(hen)興奮。”Skarnes在(zai)自己(ji)職業生(sheng)涯的(de)大(da)部分時(shi)間(jian)都在(zai)使(shi)用(yong)上世紀80年代引入(ru)的(de)一(yi)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)：將(jiang)DNA插入(ru)胚胎干細胞(bao)，然(ran)后利用(yong)這(zhe)些(xie)細胞(bao)產生(sheng)轉基因小(xiao)鼠。這(zhe)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)變成(cheng)實驗室的(de)主力(li)，但同時(shi)耗費時(shi)間(jian)且非(fei)常昂貴。CRISPR所需時(shi)間(jian)很(hen)少(shao)，因此Skarnes在(zai)兩年前采用(yong)了這(zhe)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)。

研(yan)(yan)究人員(yuan)傳統上嚴重依賴諸如小鼠、果蠅等模(mo)式生(sheng)物。目前(qian)，CRISPR使在(zai)更多生(sheng)物體(ti)(ti)中(zhong)編輯(ji)基因成(cheng)為可(ke)能。例如，今年4月，馬薩(sa)諸塞州懷特海(hai)德生(sheng)物醫學研(yan)(yan)究所(suo)研(yan)(yan)究人員(yuan)的(de)(de)報告稱(cheng)，利(li)用CRISPR研(yan)(yan)究了白色念珠菌(jun)。這是(shi)一種在(zai)免疫系統減弱的(de)(de)人群中(zhong)尤其具(ju)有致死性但一直很難在(zai)實驗室中(zhong)進行基因操控的(de)(de)真菌(jun)。來自加州大(da)學伯克利(li)分校的(de)(de)CRISPR技術(shu)先驅Jennifer Doudna正在(zai)記錄(lu)被CRISPR改變的(de)(de)生(sheng)物清單。截至(zhi)目前(qian)，她已擁有近(jin)40個條目，包括致病(bing)寄生(sheng)蟲——錐體(ti)(ti)蟲和被用來制造生(sheng)物燃料的(de)(de)酵母菌(jun)。

然而，快(kuai)速的(de)進(jin)步有著自身的(de)弊端。“人(ren)們根(gen)本沒有時間描述這個(ge)系統中一些最基本參數的(de)特征。”加(jia)州大學舊金山(shan)分校生物物理學家Bo Huang說，“現在(zai)有這樣(yang)一種心(xin)態(tai)，即只(zhi)要它能發(fa)(fa)揮作用，我們就不(bu)需要理解它是如何以及為何發(fa)(fa)揮作用的(de)。”這意味著研究人(ren)員(yuan)偶爾會(hui)遇(yu)到故障。Huang和(he)他的(de)實驗室奮(fen)斗了兩個(ge)月，使CRISPR適用于成像研究。他懷疑，如果對如何使引導(dao)性RNA的(de)設計最優化了解得更(geng)多，耽擱的(de)時間會(hui)更(geng)少。

獲(huo)得(de)廣(guang)泛應用

去年，麻省理工(gong)學(xue)院生物工(gong)程(cheng)學(xue)家(jia)Daniel Anderson和他的(de)(de)同(tong)事在(zai)小鼠身上利(li)用CRISPR修正了(le)一個(ge)同(tong)人類代謝(xie)性疾病(bing)相(xiang)關的(de)(de)突(tu)變tyrosinaemia。這(zhe)是(shi)首次利(li)用CRISPR在(zai)成年動(dong)物體內修正致病(bing)突(tu)變，并且是(shi)將該項技術(shu)用于(yu)人類基因療法的(de)(de)一個(ge)重大進(jin)步(bu)。

在科學和(he)生(sheng)物技術(shu)圈，CRISPR能加快基因(yin)治療領(ling)域發展的(de)想法(fa)是(shi)一個主要(yao)的(de)興奮(fen)點(dian)。不(bu)(bu)過，在凸顯(xian)潛力(li)的(de)同時，Anderson的(de)研究還(huan)展現了(le)真正應用這(zhe)項技術(shu)還(huan)有多(duo)遠(yuan)的(de)路要(yao)走。為將Cas9酶和(he)其引(yin)導性RNA送入目標器官——肝臟(zang)，該(gai)研究團隊(dui)不(bu)(bu)得不(bu)(bu)用泵將通常(chang)被認為在人(ren)體內不(bu)(bu)宜存在的(de)大量流體送入血管。試驗(yan)僅在0.4%的(de)細(xi)胞中(zhong)修(xiu)正了(le)致病突變，而(er)這(zhe)并(bing)不(bu)(bu)足以對很(hen)多(duo)疾(ji)病產生(sheng)影響(xiang)。

過去兩年里(li)，一(yi)(yi)些公司如雨后春(chun)筍般出(chu)現(xian)，開發基于CRISPR的(de)(de)(de)基因療法(fa)。Anderson和其他人表(biao)示，此類(lei)療法(fa)的(de)(de)(de)首次臨床試驗(yan)會在接下來的(de)(de)(de)一(yi)(yi)到兩年內進(jin)行。這(zhe)些首批(pi)試驗(yan)或許(xu)將勾勒出(chu)CRISPR的(de)(de)(de)應用(yong)場景，即CRISPR成分能(neng)(neng)被(bei)直接注(zhu)入(ru)眼睛等器官，或者細胞能(neng)(neng)從人體移除并(bing)在實(shi)驗(yan)室中(zhong)進(jin)行基因改(gai)造后被(bei)放回體內。例如，形成血(xue)(xue)液的(de)(de)(de)干細胞可能(neng)(neng)被(bei)修正(zheng)用(yong)于治療諸如鐮(lian)狀細胞性貧血(xue)(xue)癥或β-地中(zhong)海貧血(xue)(xue)等疾病。雖然將酶和引導性RNA送入(ru)很多其他組織將是一(yi)(yi)項更(geng)大的(de)(de)(de)挑戰，但研究人員希望有一(yi)(yi)天(tian)這(zhe)項技術能(neng)(neng)被(bei)用(yong)于解決更(geng)廣(guang)范的(de)(de)(de)遺傳疾病。

在(zai)(zai)Anderson和其他人正(zheng)(zheng)在(zai)(zai)瞄準修正(zheng)(zheng)人類(lei)細胞(bao)內的(de)DNA時(shi)，一(yi)(yi)些人將目(mu)光投向了農作物(wu)(wu)(wu)和牲畜(chu)。在(zai)(zai)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)編(bian)輯技術(shu)出(chu)現前，這往往是(shi)通(tong)過(guo)將基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)插(cha)(cha)入基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)中隨意位置實現的(de)，連(lian)同基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)一(yi)(yi)起的(de)還(huan)有來自(zi)細菌、病(bing)毒或其他物(wu)(wu)(wu)種(zhong)(zhong)驅動基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)表(biao)達的(de)序列。不過(guo)，這個過(guo)程(cheng)效率很低(di)，并(bing)且(qie)總是(shi)成為討(tao)厭來自(zi)不同物(wu)(wu)(wu)種(zhong)(zhong)的(de)DNA混(hun)合(he)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起或擔心這種(zhong)(zhong)插(cha)(cha)入會擾亂(luan)其他基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)的(de)批評人士的(de)素(su)材(cai)。更重要的(de)是(shi)，獲得轉基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)作物(wu)(wu)(wu)使用(yong)批準非常復雜且(qie)花費頗高，以至于接(jie)受基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)修正(zheng)(zheng)的(de)都(dou)是(shi)大(da)型大(da)宗(zong)商品作物(wu)(wu)(wu)，比如玉米(mi)和大(da)豆。

有了(le)(le)CRISPR，形(xing)勢(shi)將發生(sheng)改(gai)變：快捷和低(di)成(cheng)本或許會使(shi)基因(yin)編輯成(cheng)為較(jiao)小型特殊作物和動物的(de)(de)一(yi)個可行選擇。過去幾(ji)年間，研(yan)究(jiu)人員利用該(gai)方(fang)法對小型豬(zhu)進(jin)行了(le)(le)基因(yin)改(gai)造(zao)，并且獲(huo)(huo)得(de)了(le)(le)抗病小麥和水稻。他們還在通過基因(yin)改(gai)造(zao)獲(huo)(huo)得(de)沒有角的(de)(de)牛(niu)、抵抗疾病的(de)(de)山羊和富含維生(sheng)素的(de)(de)甜橙等方(fang)面取得(de)進(jin)步。

生(sheng)態(tai)系統(tong)或(huo)被改(gai)變

除了(le)農業(ye)，研究(jiu)人員正在(zai)考慮CRISPR如(ru)何能(neng)被(bei)或者說應(ying)當被(bei)用于野外的(de)(de)生物體。大部分(fen)注意(yi)力集中(zhong)在(zai)一(yi)種被(bei)稱為(wei)(wei)基(ji)因(yin)(yin)(yin)驅動的(de)(de)方(fang)法上，因(yin)(yin)(yin)為(wei)(wei)它能(neng)迅速(su)將被(bei)編輯基(ji)因(yin)(yin)(yin)在(zai)整個(ge)種群中(zhong)傳(chuan)播(bo)。這項工(gong)作正處于起步階段，但類似(si)技術(shu)能(neng)被(bei)用于消(xiao)滅攜帶疾病的(de)(de)蚊子或蜱蟲，清(qing)除入侵植(zhi)物或消(xiao)除使一(yi)些(xie)美國(guo)農民(min)飽受(shou)折磨的(de)(de)豬草中(zhong)的(de)(de)除草劑(ji)抗性。

不過(guo)，很多研(yan)究人員非(fei)常(chang)擔心(xin)，改變整個種群或(huo)將(jiang)其(qi)全部(bu)清除(chu)會(hui)對生態系統(tong)產生無法預知的災(zai)難性后(hou)果(guo)：這可能意(yi)味著其(qi)他害蟲會(hui)出現，或(huo)者影響食(shi)物鏈上處于較高位置(zhi)的捕食(shi)者。他們還擔心(xin)，引導性RNA會(hui)隨著時間的推移(yi)發生突(tu)變。隨后(hou)，這種突(tu)變將(jiang)席卷(juan)整個種群，產生始(shi)料(liao)未及(ji)的影響。

“這種(zhong)方法不(bu)(bu)得不(bu)(bu)擁有相(xiang)當高(gao)的(de)(de)回報，因(yin)(yin)為(wei)它具有不(bu)(bu)可逆轉(zhuan)的(de)(de)危(wei)險和給其(qi)他物種(zhong)帶(dai)來的(de)(de)意料之外(wai)或很難(nan)預估的(de)(de)后果。”哈佛(fo)醫學(xue)院生物工程師(shi)George Church表示。2014年(nian)4月，Church和一(yi)組科學(xue)家(jia)及政策專家(jia)在《科學(xue)》雜志上撰寫了一(yi)篇評論文章，警告研究(jiu)人(ren)員試驗性基因(yin)(yin)驅動意外(wai)泄漏(lou)帶(dai)來的(de)(de)風(feng)險，并且提出了防止此事發生的(de)(de)方法。

當時，基(ji)因(yin)驅動看上(shang)去還是一個(ge)遙遠的(de)(de)(de)前景。然(ran)而，不到一年后，加州(zhou)大學(xue)圣地亞哥分校發育(yu)生物學(xue)家(jia)Ethan Bier和他(ta)(ta)的(de)(de)(de)學(xue)生Valentino Gantz報告稱(cheng)，他(ta)(ta)們(men)(men)在果蠅中設計出類似(si)系統。Bier和Gantz利用(yong)3層(ceng)的(de)(de)(de)箱子容納果蠅，并且(qie)采用(yong)了通常用(yong)于研究(jiu)攜帶(dai)瘧疾(ji)的(de)(de)(de)蚊子的(de)(de)(de)實驗室安全舉措。不過(guo)，他(ta)(ta)們(men)(men)并未遵循上(shang)述評論文章作者極力推薦的(de)(de)(de)所(suo)有(you)指導原則，比(bi)如(ru)設計逆轉基(ji)因(yin)改造所(suo)致(zhi)變化(hua)的(de)(de)(de)方法。Bier說，他(ta)(ta)們(men)(men)正在開(kai)展首個(ge)原理性試驗，并且(qie)想知(zhi)道該系統能否(fou)在變得更加復(fu)雜(za)之前行之有(you)效。

對于Church和(he)其他人來說，這是一個明確的(de)(de)警告(gao)，即通過(guo)CRISPR開展的(de)(de)基因(yin)編輯的(de)(de)大眾化會產(chan)生無法預料和(he)不想(xiang)看到的(de)(de)結果。麻省理工(gong)學院政治(zhi)學家Kenneth Oye說：“我(wo)們需要更多的(de)(de)行動(dong)(dong)(dong)。”美(mei)國國家研究委員會已(yi)經形成專(zhuan)家組探討基因(yin)驅動(dong)(dong)(dong)，其他高(gao)級別(bie)商討也正(zheng)在(zai)開始進行。不過(guo)，Oye擔心，科(ke)學正(zheng)在(zai)以閃(shan)電(dian)般的(de)(de)速度向前發展，而監管上(shang)的(de)(de)改變可能只在(zai)基因(yin)驅動(dong)(dong)(dong)泄漏事件受到關注(zhu)后才會發生。

然而(er)，該問(wen)題并(bing)不是(shi)非黑即(ji)白。得州農工大(da)學(xue)昆蟲生態學(xue)家(jia)Micky Eubanks表示(shi)，基因驅動的(de)提法最初(chu)讓他大(da)吃一(yi)(yi)驚(jing)。“我最初(chu)本(ben)能的(de)反(fan)應是(shi)‘我的(de)天，這(zhe)太恐怖了。它是(shi)如此(ci)的(de)令人恐懼’。”Eubanks說，但當(dang)你再考慮一(yi)(yi)下，并(bing)將其同人類已經(jing)造成并(bing)且將繼續造成的(de)環境(jing)改(gai)變作下權衡，會發現它只不過是(shi)滄海一(yi)(yi)粟。